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Bereich der Technik
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Apparate und Methoden der
Metallurgie und insbesondere der Branche, die sich mit dem elektromagnetischen
Schmelzen und Affinieren von Aluminium-, Kupfer-, Messing-, Blei-
und Bronzelegierungen noch vor der Vornahme weiterer Verfahren,
die unterschiedliche Zwecke haben, beschäftigt. Diese Werkstoffe werden
nachstehend Metalle genannt.
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Stand der Technik
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Die
Tiegelöfen
mit magnetischer Induktion für
die Erhitzung und Verschmelzung eines Rohmaterials aus Metall durch
ein magnetisches Wechselfeld sind allbekannt. Die Induktionsöfen ermöglichen, bei
den Startphasen beginnend, den Einsatz fester Rohmaterialien, benötigen jedoch
Hochfrequenzstrom und spezielle Stromquellen, welche die hohe Reaktanz
ausgleichen können.
Die elektrische Wirksamkeit dieser Öfen ist folglich niedrig.
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Die Öfen mit
induziertem Kanal sind leistungsstark, benötigen jedoch in den Startphasen ausschließlich Flüssigmetall,
um den Raum zu füllen, in
dem sich die Joulewärme
verteilt. Der Betrieb eines Ofens mit induziertem Kanal kann folglich
während
seiner Einsatzzeit nicht unterbrochen werden. Darüber hinaus
neigt ein Ofen mit induziertem Kanal dazu, in den Innenwänden Oxyde
und intermetallische Materialien einzufangen, um dem Strom entgegenzuwirken,
der im Magnetfeld des Induktors induziert wird. Zahlreiche Methoden
zur mechanischen Säuberung
der Induktionskanäle
sind ineffizient, zu teuer und führen – was noch
wichtiger ist – zu
großen Verlusten,
da der Hauptfusionsprozess unterbrochen wird.
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Beide Öfen sehen
keinerlei Affinierung des geschmolzenen Metalls während oder
nach dem Schmelzverfahren vor. Ferner sehen sie nicht die Möglichkeit
vor, das geschmolzene Metall abfließen zu lassen, ohne dabei den
Ofen neigen zu müssen. Dieser
Vorgang kann das Feuerfestmaterial der Vorrichtung zum Brechen bringen.
Nur die magneto-dynamische Pumpe, die im Patent von Prof. V. Polishchuk
(UDSSR Nr. 176.184) beschrieben wurde, ermöglicht das Abpumpen des behandelten
Metalls nach außen.
Diese Pumpe wurde jedoch wie ein Ofen mit induziertem Kanal konzipiert
und kann, genau wie ein Ofen mit Schmelzprozess für Metalllegierungen,
verschmutzen.
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Die
herkömmlichen Öfen mit
magnetischer Induktion sind nicht in der Lage, das geschmolzene Metall
während
und nach dem Schmelzprozess zu affinieren. Es ist daher nötig, eine
anschließende
Affinierung mittels mechanischer Bewegung und des Zusatzes chemischer
Verbindungen mit Thorium oder Chlor vorzusehen, die anschließend Umweltschäden herbeiführen.
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Die
Patentanmeldung Nr. EP-A-0 397 486 beschreibt ein Apparat, der die
nicht metallischen Entladungen vom geschmolzenen Metall beseitigt, so
dass es durch mindestens einen ersten und zweiten Tiegel, die zwischen
der Gießpfanne
und der Form liegen, hindurchfließen kann. Der erste Tiegel ist
von einer Vorrichtung umgeben, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt,
welches das geschmolzene Metall zentrifugiert. Der zweite Tiegel
ist mit einer Vorrichtung ausgestattet, welche das in dieses Tiegel geleitete,
geschmolzene Metall erhitzt.
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Es
sind daher keine Einzelapparate bekannt, die in der Lage sind, zu
erhitzen, das Rohmaterial zu schmelzen, das geschmolzene Metall
zu affinieren und zu entgasen sowie es für das anschließende Verfahren
zu extrahieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
gegenständliche
Erfindung verfolgt den Zweck, die Nachteile zu beheben, die mit
dem Gebrauch der bekannten Induktionsöfen verbunden sind. Hierzu
kommt ein Verfahren zum Einsatz, das durch die magnetische Bewegung
sowohl das Schmelzen als auch das Affinieren des Metalls ermöglicht.
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Ein
weiterer Zweck ist die Erzielung einer Vorrichtung mit magnetischer
Induktion, die dieses Verfahren nutzen kann.
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Diese
und weitere Zwecke werden durch das Verfahren zum Schmelzen und
Affinieren von Aluminium-, Kupfer-, Messing-, Blei- und Bronzelegierungen,
erzielt, das Gegenstand dieser Erfindung ist. Siehe hierzu Patentanspruch
10, der sich aus nachstehenden Passagen zusammensetzt:
- – Laden
von kaltem metallischem Material und solidem Rohmaterial (Schrotte
und Brammen) in einem Schmelzhafen;
- – Elektromagnetische
Induktion zum Erhitzen und Schmelzen des metallenen Rohmaterials
im Schmelzhafen innerhalb eines dreiphasigen Magnetsystems mit einem
sich bewegenden horizontalen oder pulsierenden Magnetfeld und Erzielung eines
turbolenten Flusses im geschmolzenen Metall;
- – Wirbelerregung
der Schmelzung durch die elektromagnetische Induktion und Affinierung
durch die Herausgewinnung von Wasserstoff, metallischer und anderer
nicht elektrisch leitfähiger
Entladungen mittels Härtung
in Agglomerate, deren Größe eine
wirksame Filterung derselben ermöglicht;
- – Entladung
der affinierten Schmelzung mittels einer magneto-hydrodynamischen
Pumpe zwecks weiterer Verfahren oder technologischer Eingriffe, wie
der kontinuierliche bzw. periodische Guss mittels eines Filters
aus Spritzkeramik oder Netzfilter aus Glas- oder Kohlenstofffaser,
welche die mechanische Filtrierung der oben erwähnten Agglomerate im geschmolzenen
Metall ermöglichen. Für die Umsetzung
dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung laut Patentanspruch 1 eingesetzt.
Die Vorrichtung kann zwei vorzugsweise identische Apparaturen mit
magnetischer Induktion umfassen: Eine dient der Erhitzung und Schmelzung des
Rohmaterials sowie dem Abpumpen des geschmolzenen Metalls im zweiten
Apparat, welcher der Affinierung und Entgasung des geschmolzenen
Metalls sowie seiner Beförderung
zwecks weiterer Verfahren (kontinuierliche oder periodische Guss)
dient.
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Jede
der beiden obigen Apparaturen besteht grundsätzlich aus folgenden Elementen:
- – ein
Tiegel oder Schmelzhafen;
- – eine
ordnungsgemäß konfigurierte
elektromagnetische Vorrichtung;
- – ein
Filter;
- – ein
elektrisches Stromversorgungssystem.
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Jeder
Schmelzhafen ist in der unteren Seite von einem hohlen Dauermagneten
umgeben, in dessen Inneren Elektromagnetpaare in horizontalem Abstand
beinhaltet sind, bestehend aus Spulen von elektrischem Draht, welche
Leiter hochziehen, vorzugsweise rechteckige aus ferromagnetischem
Material bestehende Blöcke.
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Diese
drei Elektromagnetenpaare liegen gegensätzlich und angrenzend zu den
Schmelzhäfen; im
Inneren der oben genannten Elektromagnete befinden sich die Pole
des von den Elektromagneten induzierten Magnetfelds.
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Die
Form der ferromagnetischen Kerne der entgegen gesetzten Elektromagnete
ist so gestaltet, dass sich der Magnetspalt von oben nach unten
reduziert. Die Profilform des unteren Schmelzhafenteils entspricht
derjenigen der oben erwähnten
Kerne und ist daher V-, U-förmig
oder weist Zwischenformen auf.
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Der
Schmelzhafen der Schmelzvorrichtung ist mit einem Ausfluss aus elektrisch
leitfähigem
Material für
die Entladung und den Transport des geschmolzenen Metalls im Schmelzhafen
der zweiten Vorrichtung versehen. Der Einlauf des Ausflusses befindet
sich vorzugsweise gegen einem Ende der Schmelzhafenbasis.
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Auch
der zweite Schmelzhafen ist mit einem Auslauf aus elektrisch leitfähigem Material
versehen, das als Zuleitung der Systeme, die für das anschließende Verfahren
(Guss) nötig
sind, dient. Auch in diesem Fall befindet sich der Einlauf des Ausflusses vorzugsweise
gegen einem Ende der Schmelzhafenbasis.
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Diese
Ausflüsse
können
auch aus nicht elektrisch leitfähigem
Material hergestellt werden. Ihr Einlauf kann sich an einem beliebigen
Punkt der Schmelzhäfen
befinden; wichtig ist jedoch, dass er – wie oben beschrieben – gegen
einem Ende der Basis positioniert wird, so dass das Material auf
höchst
effiziente Weise befördert
wird, da das Metall bei einer maximal erreichbaren Geschwindigkeit
in die Ausflüsse
fließt.
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Bei
den Spulenanschlüssen
an das Dreiphasenstromnetz kann es sich um Stern- oder Dreiecksschaltungen handeln.
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Die
oben erwähnten
Spulenpaare erzeugen ein sich hauptsächlich bewegendes Magnetfeld
sowohl in der Schmelz- als auch Affiniervorichtung. Das Magnetfeld
induziert Wirbelströme
im Rohmaterial, deren Intensität
das Rohmaterial zum Schmelzen bringt bzw. eine konstante Temperatur
des Rohmaterials beibehält.
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Dieses
hauptsächliche
Magnetfeld induziert ferner Materialflüsse in den Schmelzhäfen. Die
Unterschiede der verschiedenen Flussarten (Anzahl der Wirbel und
Intensität)
während
des Schmelzprozesses oder der Affinierung werden durch das gleichzeitige
Einwirken auf nachstehende Parameter herbeigeführt: die Stromkraft und die
verschiedenen Kombinationen der Spulenanschlüsse an die Dreiphasenstromversorgung.
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Wurde
das hauptsächliche
Magnetfeld durch Nutzung der höchstmöglichen
Stromkraft und den Anschluss jedes Spulenpaars an eine unterschiedliche
Phase des AC-Netzes (Wechselstrom) erzeugt, bildet sich nur ein
Wirbelstrom, der das geschmolzene Metall im Schmelzhafeninnern hochzieht.
Durch den Anschluss aller Spulenpaare an die gleiche Netzphase und
die Nutzung einer reduzierten Stromkraft wird im Innern des flüssigen Metalls
eine bestimmte Anzahl von Wirbelströmen erzeugt.
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Wenn
man auf diese Weise die Masse der festen Entladungen erregt, absorbieren
sie auf ihrer Oberfläche
den Wasserstoff, der im geschmolzenen Metall aufgelöst wurde;
die Größe der Agglomerate nimmt
zu, bis sie beim Austreten von geschmolzenem Metall aus dem zweiten
Schmelzhafen mittels Filter herausgenommen werden können.
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Das
Magnetfeld wird auch für
den Materialaustritt aus jedem Schmelzhafen genutzt. Das hauptsächliche
Magnetfeld konzentriert sich in allen Fällen im unteren Teil des Magnetspalts,
wo der Abstand zwischen den Polen klein ist.
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Das
bewegliche Magnetfeld wird folglich laut gegenständlichem Verfahren sowohl für die Schmelzung
von Flüssigmetall
und Rohmaterial während des
Schmelz- oder Umschmelzprozesses als auch für seine intensive Erregung
und schließlich
für das Abpumpen
von geschmolzenem Metall vom ersten Schmelzhafen in den zweiten
und von diesem nach außen
verwendet.
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Zur
Umsetzung des gegenständlichen
Verfahrens kann als Alternative eine Vorrichtung mit nur einem Schmelzhafen
eingesetzt werden, in dem sowohl der Schmelzprozess als auch die
Affinierung des Metalls erfolgt, oder auch eine Vorrichtung mit mehreren
Schmelzhäfen
mit unterschiedlichem oder gleichem Volumen.
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Der
dem Schmelzprozess mittels Induktion dienende Schmelzhafen kann
auch nur zwei Elektromagnetpaare aufweisen. In diesem Fall fällt die
Leistung in Bezug auf das Verhältnis
zwischen der gelieferten und eingesetzten Stromkraft geringer aus.
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Die
Apparatur, die der Affinierung dient, kann hingegen den Einsatz
von Elektromagneten vorsehen, deren Anzahl einem Vielfachen von
drei entspricht.
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Die
Oberfläche
der elektromagnetischen Kerne der gegensätzlichen Elektromagnete Kann auch
hundertprozentig vertikal liegen; in diesem Fall fällt die
Profilform des unteren Schmelzhafenteils vertikal aus, da sie der
Polform ähnelt.
Die Leistungsfähigkeit
der oben erwähnten
Apparate ist geringer.
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Die
Schmelzhäfen
können
mit luftdichten Bedeckungen versehen sein, die den Innenraum luftleer halten.
Diese Bedeckungen sind an einen gewöhnlichen Apparat angeschlossen,
der in den Schmelzhäfen
Vakuum erzeugt.
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Auch
der Ausfluss, der dem Transfer des geschmolzenen Metalls von einem
zum anderen Schmelzhafen dient, kann an einem Ende mit einem Filter
ausgerüstet
werden.
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Das
gegenständliche
Verfahren ermöglicht den
Einsatz von nur einer Vorrichtung sowohl für das Schmelzen als auch das
Affinieren der Metalle. Diese Prozesse können jederzeit unterbrochen
und wieder neu gestartet werden.
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Bei
der Einwirkung auf die Stromanschlüsse wird der Apparatur eine
andere Funktion zugewiesen: Schmelzen, Affinieren, Transfer, Entladung.
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Für die Affinierung
brauchen keine Verfahren mit umweltschädlichen chemischen Wirkstoffen
mehr eingesetzt werden.
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Die
Gesamtleistung, die dem System während
des Schmelzens geliefert wird, beträgt in etwa die Hälfte der
Leistung, die den anderen bekannten Anlagen zum induktiven Schmelzen
zuteil wird. Dies ist auf die besondere Systemgestaltung (Elektromagnete
nur im unteren Schmelzhafenteil und besondere „V"-Konfiguration des Schmelzhafens) sowie
auf die Tatsache rückführbar, dass
das schon geschmolzene Material kreisen gelassen wird, damit die
noch festen Materialstücke
benetzt und der Schmelzprozess dadurch gefördert wird.
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Die
gelieferte Stromkraft beträgt
während der
Affinierung 10% des maximalen Nennwerts. Normalerweise kommt es
bei der Affinierung gemäß den bekannten
Verfahren zu einer beachtlichen Kraftverschwendung, da das Material
von Neuem geschmolzen oder auf einer beachtlich hohen Temperatur
beibehalten werden muss.
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Das
reine geschmolzene Metall wird entladen, ohne dabei den Schmelzhafen,
der das Metall beinhaltet, umkippen zu müssen. Dadurch ist eine bemerkenswerte
Reduzierung der Gefahren möglich, die
auf den Transfer von geschmolzenem Metall zurückzuführen sind; vermieden wird auch
ein Bruch des feuerfesten Schmelzhafenmaterials.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
weiteren Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden anhand
der Beschreibung zweier präferierter,
aber nicht exklusiver Ausführungsformen der
eingesetzten Vorrichtung eingehender aufgezeigt, welche das gegenständliche
Verfahren nutzt, das in den beigefügten Zeichnungen beispielshalber und
nicht bindend dargestellt wird. Dabei gilt Nachstehendes:
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1 zeigt
den Aufriss einer Vorrichtung mit zwei Schmelzhäfen;
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2 zeigt
den Längsschnitt
des Schmelzhafens, welcher der Affinierung dient, sowie des jeweiligen
elektromagnetischen Apparats;
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3 zeigt
den Querschnitt des Schmelzhafens der 2;
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Die 4 und 5 stellen
jeweils den Längs-
und Querschnitt des oben genannten elektromagnetischen Apparats
dar;
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6 zeigt
eine Aufsicht desselben elektromagnetischen Apparats;
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7 zeigt
das Schema der Rohmaterialerregung mittels beweglichen Magnetfelds
während des
Schmelzprozesses;
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8 zeigt
das Schema der Wirbel, die sich beim Affinieren im Flüssigmetall
heranbilden und die Härtung
der Partikel sowie die Herausgewinnung des Wasserstoffs ermöglichen;
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Die 9, 10 und 11 zeigen
das Schema der Partikelhärtung;
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12 zeigt
den Längsschnitt
des Ausflusses von geschmolzenem Metall aus dem Schmelzhafen der
Affinierung; hervorgehoben wird dabei die Vorrichtung für die Filterung
der vergrößerten Partikel;
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Die 13, 14 und 15 zeigen die
Schaltpläne
der Apparaturen bei jeweils der Schmelzung, Entladung und Affinierung;
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16 zeigt
den Aufriss einer Vorrichtung mit nur einem Schmelzhafen;
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Ausführungsweise der Erfindung
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Wenn
man näher
ins Detail geht, sieht man, dass das gegenständliche Verfahren mithilfe
einer Vorrichtung durchgeführt
wird, die mit zwei Schmelzhäfen 1, 1' aus Keramik
ausgestattet ist: Der erste dient einzig allein dem Schmelzen des
Rohmaterials 2, der zweite hingegen dem Affinieren des
geschmolzenen Metalls 2'.
Jeder Schmelzhafen 1, 1' ist an der Basis von einem hohlen
Dauermagneten 3, 3' umgeben,
in dessen Innern drei Paar Elektromagneten beinhaltet sind, bestehend
aus Spulen 4, 4' von
elektrischem Draht (in einem Mantel aus Isolationsstoff eingeschlossen),
welche Leiter hochziehen, nämlich rechteckige
aus ferromagnetischem Material bestehende Blöcke 5, 5' wie zum Beispiel
Eisen. Diese drei Elektromagnetenpaare sind gegensätzlich angeordnet;
im Inneren der Elektromagnete befinden sich die Pole des von den
Elektromagneten induzierten Magnetfelds. Die rechteckigen Blöcke 5, 5' sind abgeschrägt, so dass
sich der Magnetspalt von oben nach unten reduziert.
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Die
Spulen 4, 4' funktionieren
unabhängig voneinander
und sind in verschiedenen Arten und Weisen an ein AC-Dreiphasenstromnetz
(Wechselstrom) angeschlossen. Der magnetische Fluss fließt durch
den Magnetspalt zwischen den Polpaaren und schließt sich
durch die rechteckigen Schaltsysteme, welche durch die hohlen Dauermagneten 3, 3' laufen, ab.
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Die
Profilform des unteren Schmelzhafenteils 1, 1' entspricht
der Form der rechteckigen Blöcke 5, 5'.
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Die
oberen Ränder
der Schmelzhäfen 1, 1' aus Keramik
sind von einer Kante 6, 6' umgeben, die mittels Keramikklebstoff
mit den Wänden
der Schmelzhäfen 1, 1' verbunden ist.
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Der
Schmelzhafen 1 des Schmelzprozesses und der Schmelzhafen 1' der Affinierung
sind mit luftdichten Bedeckungen versehen, die im Innenraum das
Vakuum aufrecht erhalten.
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Ein
an den Seitenwänden
durchgehender Ausfluss 8 verbindet die Schmelzhäfen 1, 1'; ein zweiter
Ausfluss 9, der ebenfalls an einer Seitenwand hindurchgeht,
ermöglicht
die Entfernung des affinierten Metalls aus dem Schmelzhafen 1'. Am externen Ende des
Ausflusses 9 befindet sich ein Feld 10, das in
seinem Inneren ersetzbare Keramik- bzw. Hohlfaserfilter 11 zum
Filtern von hart gewordenen Partikeln umschließt. Die Ausflüsse 8, 9 bestehen
aus nicht elektrisch leitfähigem
Material. Der Einlauf beider Ausflüsse liegt gegen einem Ende
der Schmelzhafenbasis 1, 1'. Am Einlauf der Ausflüsse 8, 9 befinden sich
die Horizontalförderer 12, 12' des geschmolzenen
Materials (zum Beispiel einfache Blättchen). Die Ausflüsse 8, 9 münden hermetisch
abgeriegelt in die Wände
der Schmelzhäfen 1, 1'. Die Enden
der Ausflüsse 8, 9 und
der jeweiligen Förderer 12, 12' berühren nicht
die Basis der Schmelzhäfen 1, 1', so dass zwischen
diesen Teilen und dem unteren Teil eines jeden Schmelzhafens 1, 1' ein Abstand
vorliegt.
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Das
Schmelzen und Affinieren von Metall erfolgt wie nachstehend beschrieben.
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Der
Schmelzhafen 1 des Schmelzprozesses wird mit dem Rohmaterial 2 (Metallbrammen
oder -schrott) geladen. Ein Wechselstrom versorgt die Spulenpaare 4.
Jedes Spulenpaar 4 wird zuallererst an eine unterschiedliche
Phase (A, B und C) der Dreiphasenstromversorgung angeschlossen.
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Die
Elektromagneten erzeugen ein sich hauptsächlich bewegendes horizontales
Magnetfeld, das horizontal zwischen den Polpaaren aus ferromagnetischem
Material liegt. Dieses Feld induziert im Rohmaterial Wirbelströme und erzeugt
somit eine Jouleerhitzung sowie elektromechanische Kräfte (oder
Lorenz-Kräfte),
die magnetisch-hydrodynamische Flüsse durch Massentransfer im
Schmelzhafen 1 bewirken.
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Die
Intensität
der Joulewärme,
die von diesen Strömen
erzeugt wird, erhitzt das Rohmaterial bis zur Schmelztemperatur,
so dass es flüssig
wird. Da sich die Elektromagneten im unteren Teil des Schmelzhafens 1 befinden,
ist in diesem Bereich die Dichte und Aktionskraft der Ströme weitaus
höher. Durch
die Verringerung des Magnetspalts von oben nach unten befindet sich
folglich das geschmolzene Material zu Beginn ganz im unteren Teil
des Schmelzhafens 1.
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Das
bewegliche Magnetfeld induziert die Bewegung des geschmolzenen Metalls;
Letzteres wäscht
die festen Stücke
des festen Rohmaterials weg, das sich im oberen Bereich befindet,
und verstärkt
den Schmelzprozess, da es als Heizelement agiert.
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Folglich
sind reduzierte Stromkräfte
einsetzbar.
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Das
Magnetfeld erzeugt im Innern des geschmolzenen Metalls – wie oben
beschrieben – ein magneto-hydrodynamischer
Fluss. Dies erfolgt durch die Interaktion des hauptsächlichen
Magnetfelds und der Wirbelströme
im Innern der Rohmaterialstücke und
des geschmolzenen Metalls, was elektromagnetische Kräfte erzeugt.
Die Kräfte
erzeugen einen wirbelnden Fluss, der das geschmolzene Metall im Schmelzhafeninneren 1 hochzieht
und eine frühere Bewegung
der Rohmaterialstücke
oder das Fließen von
geschmolzenem Metall im Schmelzhafen 1 gestattet.
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Das
bewegliche Magnetfeld wird folglich sowohl für die Schmelzung als auch die
intensive Erregung von Flüssigmetall
und geschmolzenem Rohmaterial während
des Schmelzprozesses eingesetzt.
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Die
innenseitige Stromkraft der Spulen erreicht während der Erhitzung des Rohmaterials
und der Schmelzung 100%, um durch die Wirbelströme die Wärme erzeugen zu können, die
für den Schmelzprozess
benötigt
wird.
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Nachdem
das im Schmelzhafen 1 vorliegende, ganze Rohmaterial dem
Schmelzprozess unterzogen wurde, wird für die darauf folgende Entladung und
den Transfer des geschmolzenen Metalls in den zweiten Schmelzhafen 1' nur ein Spulenpaar 4 des dem
Schmelzprozess dienenden Schmelzhafens 1 an eine einzige
Phase des Dreivoltsystems (die anderen zwei Phasen sind nicht elektrisch
angeschlossen) angeschlossen, wobei jedoch die Bewegungsumkehr des
Magnetfelds bewirkt wird, welche die Bewegung des geschmolzenen
Metalls invertiert.
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Das
geschmolzene Metall, das durch das bewegliche Magnetfeld hochgezogen
wird, wird zum Horizontalförderer 12 des
Ausflusses 8 geschoben. Dieser Förderer 12 und der 12' des Ausflusses 9 weisen
zwei Funktionen auf: die Vergrößerung der
Einlauffläche
der Ausflüsse 8, 9 und
die Steigerung der Turbolenz um die jeweiligen Öffnungen sowie im Freiraum,
der zwischen den Förderern 12, 12' und dem Boden
der Schmelzhäfen 1, 1' besteht. Mit
dem Anstieg der Turbolenz verringert sich die Viskosität und das
Material kann leichter in die Ausflüsse 8, 9 fließen.
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Das
durch die Lorenz-Kräfte
angetriebene geschmolzene Metall muss somit durch den Ausfluss 8 fließen und
wird folglich in den zweiten Schmelzhafen 1' für die Affinierung gepumpt.
Das bewegliche Magnetfeld wird daher für den Transfer des geschmolzenen
Metalls auf die Außenseite
des Schmelzhafens 1 eingesetzt.
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Nach
der Entladung ist der Schmelzhafen 1 für die nächste Rohmaterialladung betriebsbereit.
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Hat
das geschmolzene Metall den Schmelzhafen 1' erreicht, werden alle Spulenpaare 4', die ihn umgeben,
an die gleiche Voltphase (einphasige Stromversorgung) angeschlossen.
Die seitlichen Spulenpaare 4' sind
mit der gleichen Polarität
(Parallelschaltung) verbunden, während
das zentrale Spulenpaar 4' im
Hinblick auf die seitlichen Paaren gegenphasig angeschlossen ist.
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Die
Elektromagnete erzeugen ein sich hauptsächlich bewegendes horizontales
Magnetfeld, das horizontal zwischen den Polpaaren aus ferromagnetischem
Material liegt.
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Auch
in diesem Fall induziert das Magnetfeld im Rohmaterial Wirbelströme und bewirkt
daher eine Jouleerhitzung. Die Intensität der von diesen Strömen erzeugten
Joulewärme
liefert ausschließlich eine
Kompensation von Abwärme
in der Umgebung und behält
den flüssigen
Metallzustand bei. Der Strom der Spulen 4' kann folglich gegenüber dem Schmelzstadium
auf 10% herabgesetzt werden. Um die weiter unten beschriebenen Wirbelflüsse im geschmolzenen
Metall erzeugen zu können,
muss daher der Voltwert angemessen hoch sein.
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Das
Magnetfeld erzeugt im Innern des geschmolzenen Metalls – analog
zu oben – auch
magneto-hydrodynamische Flüsse
(durch Massentransfer), was durch die Interaktion des hauptsächlichen Magnetfelds
und der Wirbelströme
im geschmolzenen Metall ermöglicht
wird und elektromagnetische Kräfte
(oder Lorenz-Kräfte) bewirkt.
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Als
Folge dieses speziellen Anschlusses bilden sich in diesem Fall jedoch
drei Stromkreise im Flüssigmetall:
und zwar um den magnetischen Fluss, der von jedem Polpaar erzeugt
wird. Sie bilden im geschmolzenen Metall vier (für Stromwerte unter 10 A) oder
sechs (für
Stromwerte über
20 A) Wirbel, welche auf die Trennung und Härtung der Entladungen im geschmolzenen
Metall – wie
weiter vorne näher
erläutert
wird – zurückzuführen sind.
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Da
sich die Elektromagneten im unteren Teil des Schmelzhafens 1' befinden, steigt
die Dichte des magnetischen Flusses, der Wirbelströme und der elektromagnetischen
Kräfte
von oben bis zum Boden des Schmelzhafens 1'.
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Der
Abhärtungs-
und Trennprozess der Entladungen ist sehr stark, weitaus stärker als
die einfache magneto-hydrodynamische Trennung. Die Partikel 13 verschiedener
fester, nicht elektrisch leitfähiger
Entladungen (Oxydpartikel, intermetallische Materialien, usw.) bewegen
sich im Inneren des geschmolzenen Metalls dank der Wirkung der oben
beschriebenen elektromagnetischen Kräfte; diese Kräfte sind
vom Volumen und Querschnitt der Partikel 13 abhängig. Die
Folge sind unterschiedlich schnelle (in den 9, 10 und 11 vx genannt) Partikel 13, und zwar
auch dann, wenn diese den gleichen elektromagnetischen Kräften unterliegen.
Aus diesem Grund sind Zusammenstöße unter
ihnen möglich.
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Die
soliden Partikel 13 absorbieren auf ihrer Oberfläche die
Gase, die sich im geschmolzenen Metall auflösen, vor allem Wasserstoff
(H2) in Form kleiner Blasen. Durch den Wirbel
des Partikelflusses 13 stoßen sie gegeneinander; der
Kontakt auf der Oberfläche
zwischen den verschiedenen Partikeln 13 und den Wasserstoffblasen
induziert sehr starke Kapillarkräfte,
welche die Verbindung von Partikeln 13 in Agglomerate verursachen.
Diese Verbindung der Partikel 13 ist ein nicht umkehrbarer
Prozess; der Größenanstieg
der Partikel 13 erfolgt spontan.
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Die
Intensität
der Zusammenstöße der Partikel 13 erhöht sich,
da auch die verschiedenen Geschwindigkeiten der Partikel 13 zunehmen.
Der Härtungsprozess
setzt sich lawinenhaft fort. Die Intensität der Massenzunahme der sich
verbindenden Partikel 13 ist proportional zur fünften Potenz
der Größe der Partikel 13.
Die Größe dieser
Agglomerate ist von der Verfahrensdauer abhängig: Nach einigen Minuten
steigt die Größe der Agglomerate
bis auf 2-4mm. Die Menge der kleineren Partikel 13 verringert
sich infolge der Absorption durch die größeren Partikel.
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Nach
einem mehrminütigen
Härtungsverfahren
kann im Inneren der Schmelzhäfen 1, 1' das Vakuum
erzeugt werden, und zwar ganz gleich, ob im ersten Schmelzhafen 1 der
Schmelzprozess fortgesetzt wird oder nicht. Das Vakuumverfahren
ist nicht bindend, es sei denn, es liegen Sonderanforderungen für das geschmolzene
Metall vor.
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Die
Entladung des reinen Metalls 2' aus dem zweiten Schmelzhafen 1' in die darauf
folgende Vorrichtung 1 wie der kontinuierliche Guss erfolgt
durch den Anschluss eines einzigen Spulenpaars 4' des Schmelzhafens 1' an eine einzige
Phase des Dreivoltsystems. Der Gesamtdruck (Bewegungsbeanspruchung
plus magnetische Druckkomponenten) in der Entladung nimmt zu, bis
es den Wert erreicht, der für
die Entleerung des geschmolzenen Metalls 2' erforderlich ist.
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Das
durch die Lorenz-Kräfte
angetriebene geschmolzene Metall muss somit durch den Ausfluss 9 fließen und
wird folglich nach außen
gepumpt. Das bewegliche Magnetfeld wird daher für die Entfernung des geschmolzenen
Metalls aus dem Schmelzhafen 1' eingesetzt.
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Während des
Austritts von geschmolzenem Metall aus dem Schmelzhafen 1' werden die
fest gewordenen Partikel der Oxyde, intermetallischen Materialien
und Gase, die auf der Oberfläche
der Partikel 13 absorbiert werden, mittels austauschbarer
Filter 11 aus Keramik oder Faser im Feld 10 extrahiert.
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Die
auf diese Weise konzipierte Vorrichtung ist sehr änderungsfähig, wobei
die Änderungen
an das Erstkonzept der Erfindung gebunden sind. Darüber hinaus
sind die Einzelteile durch andere ersetzbar, welche die gleichen
technischen Merkmale aufweisen.
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Zu
den zahlreichen Varianten ist die Apparatur der 16 hervorzuheben.
Diese ist mit nur einem Schmelzhafen 1'' ausgestattet,
in dem sowohl das Schmelzen als auch Affinieren von Metall erfolgt. Dieser
Apparat ähnelt
den zuvor beschriebenen Geräten:
Es weist einen hohlen Dauermagneten 3'', Elektromagnetpaare
bestehend aus Spulen, usw. auf.